Tremolo avec tap tempo DIY : un projet difficile !

Ca fait un bout de temps maintenant que je travaille sur un projet de tremolo avec tap tempo. Comme pas mal de guitaristes, j'adore les sonorités un peu vintage des tremolos (genre ça), mais aussi les effets de coupure qu'on peut obtenir avec, pour des sons à la Rage Against The Machine (genre le début de "Know your enemy") ou des trucs un peu plus étranges... Bref, c'est un super effet je trouve !

Jouant en groupe, je trouve qu'un tap tempo est juste indispensable avec des effets un peu rythmiques genre les delays par exemple. J'ai donc décidé d'en incorporer un dans mon tremolo. Le tap tempo n'est pas quelquechose de facile à implémenter car cela nécessite de passer par du digital... Comme on le verra plus tard ! Voici mon prototype :

Pas mal de contrôles donc ! Vous pouvez voir qu'il y a deux footswitchs : le tap tempo (à droite), et le true bypass qui est ici un relay bypass ! J'ai utilisé le relay bypass que j'ai conçu, qui est plus fiable que les 3PDT classique (les footswitchs 3PDT sont la principale cause de panne), et complètement silencieux :) Le petit switch au milieu permet de passer d'un mode classique à un mode "hold" qui permet d'activer temporairement la pédale au pied. C'est sympa pour caler des coupures sur certains phrasés par exemple !

Voici une démo rapide que j'ai faite:

Il y a ensuite 6 potentiomètres (oui il y a pas mal d'options !) De gauche à droite, en partant du haut :

1. Depth : règle l'amplitude du tremolo
2. Rate : vitesse du tremolo
3. Symetry : change la forme de l'onde : décale le centre de l'onde de gauche à droite (plus de détail dans l'analyse du circuit)
4. Choix de la forme d'onde : 6 ondes différentes : carrée random, sweep, triangle, sinusoïdale, carrée et "ramp up"
5. Volume : possible de booster le volume
6. Choix du subdivision de tempo : pour régler la vitesse par rapport au tap tempo. 6 choix possibles : 2:1 (2 fois plus lent), 1:1 (même vitesse que le tap), 1:1,5, 1:2, 1:3 et 1:4 !

J'ai fait un genre de petit mode d'emploi pour expliquer les contrôles :

J'en ai profité pour esssayer de faire un design test, où je l'ai appelé "Montagne" histoire de rendre honneur à la langue française, et car la forme des ondes de LFO me faisait penser à une montagne:

C'est mon deuxième prototype, le premier n'avait pas le relay bypass, avait quelques soucis de bruit et avait un PCB différent ! Comme je vous l'ai dit, c'est beaucoup de travail, et j'en suis à ma version 5 du PCB qui a pas mal changé ! Voici les deux prototypes que j'ai réalisé pour l'instant :

Ca m'a permis de tester différentes couleurs par ailleurs ;)
Voici l'intérieur de la bête :

Vous reconnaîtrez ma version du relay bypass ! C'est un peu le bordel, notamment à cause de mes tests pour diminuer le bruit, mais au final ça rentre plutôt bien ! Mon but maintenant serait de tout caler sur le même circuit imprimé pour éviter tout ce câblage fort pénible à faire...

Comment ça marche un tremolo ?

Un tremolo se caractérise par une variation du volume de la guitare de manière rythmique, contrairement au vibrato qui fait varier le pitch (hauteur des notes). A ce jour, il existe deux grands types de tremolo :

• tremolo "classique" : qui utilise différents processus pour faire varier le volume sonore.
• tremolo harmonique : présent initialement dans certains amplis fender "brown face", il est plus rare, et fait varier le volume des basses et aigus séparément : quand il amplifie les basses, il diminue les aigus et vice versa. C'est assez spécial !

Aujourd'hui, on va surtout parler du tremolo classique !

Pour faire varier le volume de manière rythmique, on va utiliser un LFO (Low Frequency Oscilator). Les LFO sont hyper utilisés dans le domaine du son (surtout chez les synthés) : il permet de générer une onde sonore d'une fréquence et d'une amplitude donnée. Cette onde peut aussi avoir différentes formes selon le circuit qu'on utilise :

Cela peut générer des sons (comme sur les synthé), mais aussi permettre de moduler le son en modifiant le volume (tremolo), le pitch (vibrato / chorus), couper certaines fréquences (enveloppe filter / auto wah)....etc !
C'est la base de nombreux effets de modulation !

Un LFO peut être entièrement analogique, mais aussi numérique comme on va le voir ici.

Ce LFO va être utilisé pour faire varier le volume sonore. On alors plusieurs possibilités :

• Utiliser le LFO pour allumer une LED qui va faire varier une résistance photosensible (LDR) sur le chemin du signal : c'est le tremolo optique, hyper classique et très efficace ! La résistance variable photosensible va varier en résistance selon le LFO, et va donc moduler l'amplitude du signal selon le rythme et onde du LFO.

• Le même système peut être utilisé de différentes maniètres : on peut aussi relier la photocell à la masse, ou l'utiliser pour faire varier le bias d'un OP amp ou d'une lampe d'ampli afin toujours de varier le volume sonore. Cela change relativement peu le son du tremolo.

On peut utiliser une LED et un LDR séparé, mais la plupart du temps on utilise un photocoupleur qui combine à la fois la LED et LDR dans un petit module noir:

En haut à droite, vous avez un vactrol commercial et en dessous une version DIY fabriquée avec une LED, un LDR et de la gaine thermorétractable. Je préfère utiliser les versions commerciales : elles sont plus chères (7 euro l'une à peu près), mais beaucoup plus fiables et similaires d'un exemplaire à l'autre.

Pour mon tremolo, j'ai placé le LDR sur le chemin du signal, au sein d'un circuit très simple utilisant un double ampli opérationnel, le TL072. Le TL072 est un double ampli opérationnel de type JFET, assez réputé pour sa transparence. Cette partie du circuit est celle où passe le signal, je voulais avoir un circuit analogique le plus transparent possible:

RT1 et RT4 sont des résistance de rappel qui vont empêcher les "pop" à l'enclenchement de la pédale. CT1 et CT3 sont des condensateurs de couplage, avec une grosse valeur (1uF) pour laisser passer toutes les fréquences. Un ampli opérationnel avec un gain de 1 permet de bufferiser le signal (haute impédance d'entrée, faible en sortie), dont l'amplitude est ensuite modulée par un LDR (VACT_1B). Ensuite, le signal est amplifié par un deuxième OP amp, avec un potentiomètre de volume pour rendre un léger boost possible !

Ce qui va moduler le plus le son d'un tremolo, c'est la forme d'onde. Il est donc important d'avoir le choix entre plusieurs formes pour avoir un maximum de sons possibles ! C'est possible techniquement avec un LFO analogique, mais on est limité à 2, voire 3 formes d'ondes maximum. C'est pour ça que j'ai choisi ici un LFO numérique, qui permet en plus d'avoir un tap tempo : le Electric Druid TAPLFO2D ! On peut de plus le combiner avec un circuit analogique, ce qui fait que le signal n'est jamais digitalisé !

Electric Druid (Tom Wilshire) vends de nombreux chip numériques préprogrammé comme le TAPLFO qui peuvent être implémentés dans des circuits variés. Tom est super sympa et a répondu à tous mes messages au cours de la réalisation de ce tremolo, vraiment cool !

Le TAPLFO est prévu pour être facilement implémenté dans des circuits audios. C'est un microcontrolleur PIC comme celui que j'ai utilisé pour mon projet de relay bypass. Les microcontrolleurs sont des genres de mini PC qui contiennent un programme qu'on a codé qui va lui dire quoi faire. La plupart des contrôles qu'on voudrait avoir sur un tremolo sont déjà incorporés dans le chip, et il suffit donc d'y connecter des potentiomètres ! 

Ainsi, on a TAP TEMPO IN : le switch du tap tempo, PWM OUTPUT = sortie du LFO, TEMPO CV : rate, WAVEFORM : pour le choix de la forme d'onde...ect.

Le TAPLFO peut fournir 8 formes ondes différentes ! 

C'était donc le candidat idéal dans mon cas !

Voici le schéma du LFO:

Oui, je sais, c'est le bordel... Mais en fait c'est pas si compliqué, et même proche du circuit indiqué dans la datasheet !

Divisons le circuit en plusieurs parties pour le rendre plus compréhensible :

L'oscillateur externe (external clock, en violet) est nécessaire au bon fonctionnement du chip. C'est un oscillateur à quartz de 20 MHz, comme on peut en trouver dans les montres ou les téléphones, qui va donner au microcontrolleur une notion du temps ! Cela permet de corréler le tapping au pied au tempo du tremolo, ou adapter la vitesse du LFO en fonction du choix du ratio pour le tempo. Les PIC possèdent aussi un oscillateur interne, mais à fréquence plus réduite (entre 4 et 8 MHz), donc un externe est nécessaire ici.


Alimentation
L'alimentation permet d'avoir 3 tensions différentes nécessaires au bon fonctionnement du circuit : 9V (pour le premier OP amp), 4,5V (deuxième OP amp) et 5V (pour le TAPLFO)

Les 4,5V sont produits avec un simple pont diviseur de tension formé par RA2 et RA3. Les 5V sont fournis par un régulateur 7805, un grand classique que j'ai déjà utilisé dans ma reverb Rub A Dub par exemple. Enfin, j'ai ajouté pas mal de condensateurs pour stabiliser l'alimentation, y compris un énorme condensateur électrolytique de 470 uF avant le régulateur de tension. Enfin, la diode DA1 protège le circuit des inversions de polarité.



Contrôles
Bon, c'est là que ça se corse, on dirait un vrai bordel, mais en vrai c'est assez simple (si, si je vous jure !)

Si on regarde le schéma du TAPLFO (tiré de la datasheet):
Chaque patte de droite est dédiée à un contrôle :

• Tempo CV : potentiomètre "rate"qui règle le tempo du tremolo
• Waveform : permet de choisir la forme d'onde (8 possibilités)
• Multiplier : pour choisir le ratio tap-rate/tempo (6 possibilités)
• Level CV : potentiomètre de "depth"
• Wave distort CV : déforme l'onde, potentiomètre de "symmetry"
• "Next multiplier" input : permet d'ajouter un bouton qui fait défiler dans le choix de ratio tap-rate (je ne l'ai pas utilisé)

Le PIC va pouvoir "lire" la valeur du voltage à chacune de ces pattes et adapter la valeur du paramètre que ces pattes contrôle en fonction du voltage lu :

• Pour les réglages "continus": (les réglages qui peuvent prendre une infinité de valeurs entre le début et la fin de la course du potentiomètre). Si on prends l'exemple du potentiomètre de rate, 5V correspondra au rate minimum, et 0V à la valeur de rate maximale (tempo le plus rapide !). Entre ces deux valeurs, il y aura une relation linéaire entre le voltage et le tempo du tremolo. C'est le même système pour les réglages de depth et symmetry.
• Pour les réglages "discrets" : avec un nombre de choix limités, comme le choix de la forme d'onde ou de ratio. Pour la forme d'onde, l'onde sera sinusoïdale entre 0 et 0,6V, puis carrée entre 0,6 et 1,2V...Etc.

Pour les réglages continus, il suffit de placer un potentiomètre entre 5V et la masse où on va pouvoir régler le voltage et donc le paramètre :

Le potentiomètre forme un pont diviseur de tension qui va moduler le voltage fourni à la patte du chip, et donc moduler le paramètre qu'elle contrôle, ici la vitesse du tremolo !

Pour les réglages discrets, je voulais utiliser un système de switches. On peut aussi utiliser des potentiomètres comme au dessus (de nombreux constructeurs le font), mais je trouve cela vraiment pas pratique, car on ne sait jamais exactement sur quel réglage on est... Le problème des switchs rotatifs, c'est qu'ils sont généralement énormes... A part pour ce petit switch 1P6T de chez Alpha que j'ai découvert en fouinant dans les datasheets !

Pour les adapter facilement à on circuit, j'ai du créer un deuxième circuit imprimé "adaptateur" qui permet de les insérer sans trop galérer à les câbler (ce qui me paraissait vraiment bordélique et pas fiable vu la tête des pins...). C'était assez complexe pour avoir quelque chose de pile la bonne taille (vive l'outil "mesurer" d'Eagle), et le pattern de switching entre les pattes du switch qui n'est vraiment pas évident... Mais en utilisant des potentiomètres "longues pattes", ça rentre nickel !

(vous pouvez aussi voir le vactrol = LED + photocell, l'espèce de truc noir en bas du PCB).

J'ai calé des composants des deux cotés pour que cela rentre bien, et notamment un giga condensateur de 470uF qui permet d'éviter les bruits liés au LFO sur les ondes carrées.


Sortie du LFO et tap tempo
Cette dernière partie du circuit digital permet "d'allumer" la LED pour moduler la valeur du LDR contenu dans le vactrol. Cela permet aussi d'allumer une LED externe qui montre la vitesse et la forme d'onde à l'utilisateur (indispensable !)

Le tap tempo est détecté par la patte numéro 4 du TAPLFO. C'est le même système que pour les autres contrôles : quand le tap tempo est activé, le voltage passe soudainement à 0 (car le switch du tap tempo est connecté à la masse). Le PIC calcule le temps entre deux activations et module la vitesse du trémolo en fonction. Un petit souci est qu'il ne moyenne pas lorsqu'on active plusieurs fois le switch, il ne prend en considération que eux tap. Le code du TAPLFO est disponible, mais uniquement en langage assembleur, que je ne connais pas assez pour aller modifier malheureusement...


Le LFO "sort" par la patte numéro 5. Il va tout d'abord allumer une LED externe D1 qui permet de voir directement le LFO ! Ensuite, un transistor amplifie le courant pour allumer la LED qui va moduler la valeur du LDR modulant le volume de la guitare. Un trimpot permet d'adapter l'intensité de la LED (et donc le volume sonore du tremolo et l'amplitude des modulations). Une valeur de 1k est largement suffisante.

Et voilà ! Tracer le PCB fut une vraie aventure (et pas une simple !) car je voulais que tout cela rentre dans un boitier 125B ! Je trouve que les boitiers BB sont vraiment trop gros et pas pratique pour un pedalboard : ils prennent pas mal de place horizontalement et ne sont pas toujours hyper pratique à utiliser. De plus, comme je dois utiliser des potentiomètre à "longues pattes", j'aurai du utiliser un boitier "Tall" BB qui sont absolument énorme : non merci !
J'ai donc pris mon courage à deux main et designé pas mal de PCBs différents jusqu'à avoir quelque chose de satisfaisant.



Un des problèmes liés aux LFO et digital haute fréquence de manière générale, c'est qu'il faut bien les séparer du signal pour éviter de voir apparaître des bruits parasites. Ce sont des problèmes extrêmement complexes, avec lesquels les ingénieurs se battent régulièrement (notamment pour les téléphones). J'ai donc fait en sorte que les deux parties (le LFO numérique et le chemin du signal entièrement analogique) soit bien séparés, et ça a plutôt bien fonctionné (coup de bol je pense !).

J'ai cependant eu des soucis de bruit sur les ondes carrées. Le problème des ondes carrées, c'est qu'elles générent des demandes en courant brutales. Ces demandes soudaines peuvent alors générer un bruit, un genre de "click" pénible qui suit la vitesse du tremolo. Ce fut compliqué de résoudre ce problèmes, mais après pas mal d'essais et de test, j'en suis venu à la solution suivante :

• utiliser des LED ultrabright (notamment pour celle qui marque le tempo), ce qui évite de pomper trop de courant pour la LED
• utiliser un transistor puissant pour amplifier le courant au niveau du vactrol et LED de tempo. Ici j'ai carrément mis un MPSA18 avec un gain supérieur à 1000 !
• avoir un gros condensateur entre le 9V et le régulateur de voltage qui alimente le chip. Ca permet de subvenir aux demandes en courant brutales et évite ce fameux bruit. Ici, j'ai carrément mis un condensateur de 470uF (qui est énorme), situé à l'horizontale sous les potentiomètres.
• bypasser les résistances de 100 Ohms au niveau de l'alimentation. Il faut mieux un peu de bruit de l'alim qu'un gros "tick tick tick" pénible. Ca a très bien fonctionné.
• masse séparée pour la partie numérique et analogique, reliée en un point avec un condensateur à cet endroit.

Ce fut long et pénible, mais aujourd'hui plus de problème de bruit !
Les ondes carrées sont vraiment sympa et permettent d'avoir des sons très sympas, je ne voulais vraiment pas m'en passer.

Et voilà !

Comme vous pouvez le voir, concevoir un effet n'est pas de tout repos, et c'est un processus très long : il faut concevoir le circuit, le PCB, le faire fabriquer, tester un prototype, refaire tout cela tant qu'on est pas satisfait ! Il me reste encore une dernière étape avant d'avoir le prototype final : inclure le système de relai et les jacks directement sur le PCB, pour éviter tous ces câbles ! Vous comprenez maintenant le term "Development Hell" où tous les projets inaboutis se retrouvent....

Je vais aussi corriger le circuit par rapport à mes observations, et avec un peu de bol, ce tremolo sera bientôt disponible :)

Pour aller plus loin (en anglais)
Petit guide des différents types de tremolos par Strymon, très bien fait !

Datasheet du TAPLFO (pdf)
Bon article sur les bruits de LFO, et comment s'en débarasser.
Site web de Electric Druid : plein de chips sympas !